什么是压缩力?

施工基础 2020年12月27日

进行任何结构工作之前,工程师,建筑师和建筑商的基本概念都需要彻底理解—从单户住宅到大型桥梁和摩天大楼—是压缩与张力的概念。张力是一种将材料拉开的力,而压力则是将元件挤压在一起的力。每种材料都有能力承受一定程度的压缩和一定程度的张力。 

为了显示压缩力和拉力之间的差异,工程指导员经常使用绳索等材料进行演示,该材料可以承受很大的拉力,或者在拉力失效之前将其拉动,但实际上没有压缩强度,因为如果从相反的方向推动它,它只会弯曲。

什么是压缩力?

材料的抗压强度是其承受外推力的能力。当圆柱从上方支撑载荷时,它处于压缩应力下。在分子水平上,该力的结果是材料中的粒子原子和分子缩短。

压缩是所有建筑物中的一个因素,因为最终必须将载荷和力导入地下。当必须对诸如砾石之类的介质进行加压以使其稳定和压实时,这也是建筑中的工作原理。测试实验室确定建筑物下的材料需要压实的程度;建筑法规通常要求平板,沥青或其他地基表面下的材料具有95%的压实等级。 

作用于所有结构的4种力

压缩和拉伸是在结构内相互作用的四个主要力中的两个。另外两个是扭力和剪切力。

  • 压缩: 材料的粒子彼此推挤,导致它们缩短或压缩。在建筑物中,压缩通常来自顶部。
  • 张力: 与压缩相反,其中拉力在起作用以延长材料。如果从顶部压缩梁,则底部将处于张紧状态。 
  • 扭转: 结构元件承受扭矩—or a twisting force.
  • 剪切: 相反的结构力会导致飞机打滑。换句话说,剪切力使各层在相反的方向上相互滑动。建筑物需要 剪力墙 抵抗横向或剪切力。 

 

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压力如何在建筑物中起作用?

观察压缩的一种方法是动作和反应。内力和外力作用在结构部件上。外力称为结构载荷,内力称为应力—其中载荷是作用(在柱上放置重物),应力是反作用力。工程师在设计结构时,必须考虑所有可能随时间影响结构的因素。 

用现实世界的话来说,这些力量包括 3种负载:活荷载(建筑物将要存储的人员或材料),静荷载(结构本身的重量)和环境荷载(诸如雪荷载,风荷载和地震等基本要素)。建筑规范通常为这些设计载荷设置参数。

考虑一下建筑物的建造方式:希腊和罗马神庙和哥特式大教堂是利用压缩力建造的建筑物。砖石拱门使用均匀的压缩力,向下压缩,并被支撑横向压力的结构吸收—如石基台。在巴黎的巴黎圣母院可以看到这种使用压缩的著名例子,那里的飞行支撑将压缩力从屋顶和墙壁引导到基础中。

测量材料的抗压强度

根据定义,材料的抗压强度是单轴压应力的值(意味着材料在完全失效之前达到的最大压应力)。简而言之,对材料(通常是圆柱体)施加压缩载荷—这就是为什么它被称为“uniaxial”),它会缩短并传播直至失败。这被绘制在应力-应变曲线上。

 

计算抗压强度的公式为F = P / A,其中:

  • F =抗压强度(MPa)
  • P =物料的最大负荷(或直至失效的负荷)(N)
  • A =材料承受载荷的面积的横截面(mm2)

为了对这些数字在建筑物中的使用方式有所了解,标准建筑物要求混凝土满足10 MPa至60 MPa(每平方英寸1450至8700磅)的抗压强度。通过特殊混合获得的超高强度混凝土可以满足500 MPa(72,519 psi)的强度要求。

工程师通过将一块平行于木纹的木块加载到破坏(破裂)的方式来测量木的抗压强度。他们以psi(磅/平方英寸)为单位进行测量。

延展性(金属)材料的抗压强度可以使用通用测试机进行测量,将材料置于两块板之间并置于压缩状态,直到达到特定的负载或材料失效为止。 

哪些材料的抗压强度最高?

混凝土最重要的工程性能之一是其高抗压强度。但是,相对于钢,它的拉伸强度较弱。钢既可以具有高的抗压强度又可以具有高的抗拉强度,并且可以抵抗与混凝土或砖石相同的压缩力,但是没有体积。工程师经常参考“brittle” and “ductile” material groups for compressive strength: the 脆 group includes rock, sandstone, and cement, and the 韧性的 group includes steel and other metals. 

以下是一些常见建筑材料的平均抗压强度,单位为psi(磅/平方英寸):

  • A36钢(一种普通的结构钢):22,000
  • 花岗岩:19,000
  • 硬砖:12,000
  • 山胡桃木:9,210
  • 石灰石:9,000
  • 标准混凝土:1450-8700
  • 枫木:7,830
  • 核桃:7,580
  • 道格拉斯冷杉:7,230
  • 灰分:7,410
  • 黄松:5,320
  • 轻砖:1,000

通过了解压缩和拉伸协同工作的方式—以及某些材料的抗压强度如何在结构中其他力的作用下发挥作用—you’我将了解建筑法规在制定建筑安全标准中的重要性。

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